NLRP3和AIM2炎性小体与肺癌的相关性研究进展

林 欣，胡俊锋

(蚌埠医学院第一附属医院呼吸与危重症学科，安徽 蚌埠 233000)

近年来，随着吸烟和各种环境因素的影响，肺癌的发生率和死亡率已被实为全球范围内恶性肿瘤中发病率的首位。目前，肺癌发展的细胞和分子机制尚不明确。现在人们普遍认为慢性炎症参与了癌症的发生、发展和进展。炎性小体是一种细胞内的多蛋白复合物，当识别不同的病原体相关分子模式(PAMPs)和损伤相关分子模式(DAMPs)时，可启动组织对各种危险信号的炎症反应。在炎性小体中，NLRP3以及AIM2炎性小体因能被多种危险信号激活的而被研究的较为广泛，它们的表达与多种肿瘤的发生发展密切相关，但其在肺癌中的确切表达特征尚不清楚。在这篇综述中，我们就NLRP3及AIM2炎性小体与肺癌相关的研究进行了讨论。

1 炎性小体

“炎性小体”这一概念最早由Tschopp等人于2002年提出[1]，目前已发现的炎性小体主要分为4种，即NLRP1、NLRP3(又称NALP3)、NLRC4(又称IPAF)和AIM2炎性小体，每个炎性小体在不同的刺激下被激活，炎性小体被认为是免疫系统的信号转导中心。平台蛋白(platform proteins)、适配器蛋白(adaptor proteins)和效应蛋白(effector proteins)是组装炎性小体的三个关键成分。炎性小体的分类基本上取决于平台蛋白的不同，而平台蛋白又决定了适应蛋白的存在以及完整的多蛋白复合物的结构。平台蛋白主要由NLRs家族和HIN-200蛋白家族组成，尽管这两个蛋白家族的结构迥异，它们都遵循着相似的信号转导过程，如，不同原因激活的炎性小体都会导致一个共同的过程：激活caspase-1，引起炎症相关转录因子的激活，并通过NF-κB信号通路释放炎症因子IL-1β和IL-18，同时caspase-1可作用于蛋白GSDMD，使其发生剪切和多聚化，形成含有GSDMD氨基端活性区域的肽段，其在细胞膜上打孔，造成细胞穿孔，诱导焦亡发生[2]。其中，细胞焦亡是一种炎症细胞程序性死亡方式，其与细胞凋亡的区别主要表现为细胞焦亡时，细胞形态较大，进展更快，并会伴随着大量促炎症因子的释放引发强烈的炎性反应。诸多炎性小体中，NLRP3及AIM2炎性小体已被证实能被多种类型的病原体或危险信号所激活，并且参与机体感染性及非感染性疾病的发展过程。

1.1 NLRP3炎性小体NLRP3炎性小体是一种由胞质多蛋白复合物组装而成的胞内固有免疫感受器，由NLRs家族成员之一的NLRP3、ASC及pro-caspase-1组成。其中，NLRP3由中心核苷酸结合寡聚化区域(NACHT)，羧基端的富含亮氨酸重复序列(leucine-rich repeat，LRR)结构域和氨基端的热蛋白结构域(Pyrin domain，PYD)组成。而ASC作为一种适配器蛋白，具有和NLRP3相似的PYD效应区以及和pro-caspase-1相似的CARD募集域，在NLRP3识别外源性病原微生物或内源性危险信号而活化并暴露其PYD结构域后，其可通过同型PYD结构域招募ASC及下游的效应蛋白pro-caspase-1，由此完成NLRP3炎性小体的装配，从而激活caspase-1，促进细胞因子IL-1β和IL-18的释放[3]，进而引起机体免疫反应及诱导细胞焦亡[4]。NLRP3炎性小体典型的激活大致分为两个步骤。首先，第一步即启动信号(priming signal)，微生物或内源性分子诱导细胞NLRs的表达，转录合成多种炎性因子前体如pro-IL-1β及pro-IL-18[5]。第二步为激活信号(activating signal)，NLRs活化后通过ASC与pro-caspase-l相互作用，激活caspase-l，并进一步促进下游更多种促炎细胞因子(如IL-1β、IL-18等)及趋化因子的合成分泌[6]。以上两个步骤均是在NF-κB激活的基础上进行转录和转录后调控。新近研究表明在巨噬细胞及树突状细胞中，炎性小体的非典型激活涉及caspase-8或caspase-11，从而促进IL-1β和IL-18的释放[7-8]。因此，IL-18、IL-1β的来源不仅仅是通过NLRP3通路。NLRP3活化的三种不同模型经常被提出，即钾外排、溶酶体破裂和线粒体活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成。第一个模型提出细胞外ATP可以激活细胞膜上的ATP门控的阳离子通道嘌呤能P2X7受体(purinergic P2X7 receptor，P2X7)，导致钾离子通过细胞膜流出[9]，进而导致自发性NLRP3组装，同时半通道蛋白pannexin-1也能够与ATP激活后的P2X7相互作用，促进大的非选择性孔的形成[10]，并允许NLRP3激动剂进入细胞浆。第二个模型表示，颗粒或晶体结构的激活剂如尿酸盐晶体、二氧化硅、和β-淀粉样蛋白等，由巨噬细胞吞噬后与溶酶体融合，导致溶酶体肿胀和损伤，并释放出溶酶体内物质，如组织蛋白酶-B，而组织蛋白酶-B被认为可激活NLRP3[11]。第三个模型预测ROS也有参与，因为许多NLRP3激动剂已被证明促进ROS的形成，因此NLRP3的活化可能存在氧自由基激活这一共同通路。研究证明，ROS的增加导致硫氧还原蛋白相互作用蛋白(TXNIP)结合并激活NLRP3[12]。Juliana[13]等研究证实：线粒体衍生的ROS可以通过TLR4/MyD88信号通路去泛素化NLRP3，并使之启动，此项研究还表明ATP信号亦可以通过去泛素化启动NLRP3炎性小体。另外，受损线粒体释放的线粒体DNA也被证明能够激活NLRP3炎性小体[14]。

1.2 AIM2炎性小体AIM2炎性小体是一种能够识别来源于病毒、细菌或宿主本身的双链DNA(double-stranded DNA，dsDNA)的细胞质传感器，其在固有免疫反应中扮演着重要的角色。AIM2由PYD和HIN-200结构域组成，就AIM2炎性小体而言，AIM2蛋白就是启动成分，通过其羧基端的HIN-200结构域以非序列特异性的方式识别DNA。一旦DNA与HIN-200结构域结合，AIM2就会发生构象变化，从而导致氨基端的PYD结构域与含有PYD-CARD的适配器蛋白ASC的PYD相互作用，而ASC的CARD结构域进而与pro-caspase-1的同型CARD结合，促进caspase-1的活化和下游炎性细胞因子IL-1β和IL-18的成熟。除了固有免疫细胞外，非髓细胞如角质形成细胞、血管内皮细胞、平滑肌细胞等也表现出AIM2炎性小体对胞质dsDNA的应答激活，表明其具有多种生物学活性。由此可见，AIM2和NLRP3炎性小体活化的一个共同特征是炎性小体复合物形成过程中均需要适配器ASC的磷酸化。所以，ASC是NLRP3炎性小体和AIM2炎性小体活化的关键。

2 炎性小体与肿瘤

早在1863年，病理学家Virchow就描述了炎症在癌症发展中的作用。近期大量临床及流行病学资料证实，慢性炎症在癌症发生、进展的多个阶段起着关键作用。急性炎症可以帮助机体恢复组织损伤和抵御病原体，正常情况下，组织修复或病原体清除后，炎症可得到缓解，体内稳态可恢复；然而，如果炎症不受控制，发展为慢性，可诱导周围组织的恶性细胞转化，促进肿瘤的形成。换句话说，炎症失调是癌症发生和发展的标志之一。另外，肿瘤内环境已被广泛研究，其主要包含可增殖的肿瘤实质细胞、血管内皮细胞、炎性浸润细胞、相关基质细胞及它们分泌的蛋白和细胞因子，其中，炎症细胞和介质是肿瘤微环境的重要组成部分，在肿瘤的发生、增殖、促进、侵袭、转移等过程中起着决定性的作用，除了化疗、放疗和分子靶向治疗外，对肿瘤防治及机制的研究已从肿瘤细胞本身逐渐偏向肿瘤生长的微环境。目前已有多项研究关注NLRP3与AIM2与肿瘤的关系。NLRP3炎性小体在多种肿瘤(如乳腺癌、结直肠癌、肝癌、胃癌等)的进展过程中发挥重要作用[15]，NLRP3既参与了调控肿瘤本身，也参与肿瘤微环境的组成，并对肿瘤的发生有促进和抑制的双重作用[16]。比如，其对结肠癌有抑制作用，但对胃癌和前列腺癌有致癌作用[17]。因此，NLRP3在肿瘤发生中的作用可能与组织或细胞类型不同有关。目前，AIM2在先天免疫和炎症中的作用已得到公认，但其在癌症中的作用尚不清楚。据报道，AIM2在肿瘤的发展中也起着双重作用。AIM2最初被报道为黑色素瘤的抑癌基因，其在结直肠癌、肝癌中的表达均有不同程度的下降，而在皮肤癌、子宫内膜癌中则呈现过表达，发挥其致癌作用[18]。AIM2在多种肿瘤组织中的差异表达提示其在不同类型的肿瘤中可能具有独特的作用。

3 炎性小体与肺癌

肺癌是最常见的恶性肿瘤之一，在全球范围内其致死率一直是各类癌症之首。只有16.6%的肺癌患者在确诊后存活5年或更长时间[19]。肺癌的组织病理学分为两类：小细胞肺癌(small cell lung cancer，SCLC)和非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)。其中，NSCLC约占所确诊肺癌的85%左右。研究表明，慢性炎症可改变支气管和肺的微环境，从而导致肺癌的发生。例如，烟草烟雾和其他刺激物通过启动慢性炎症，进而诱发肺部疾病如慢性阻塞性肺病和肺癌的发生，而吸入石棉引起肺部炎症也有可能诱发肺癌的发生。炎性小体还通过影响自然杀伤细胞的功能参与吸烟相关性肺癌的发生。因此，在肺癌微环境中发现的高水平的炎性细胞，提示着肺癌的危险因素与炎症细胞因子水平、氧化应激标志物和免疫细胞组成的改变有密切关系。目前，关于NLRP1、NLRC4与肺癌的相关性报道较少，其与肺癌的的联系尚不清楚。Kong[20]等通过体外研究发现，虽然在肺癌细胞系中能够检测到NLRP1和NLRC4的高表达，但其在肺癌组织中的表达过低，这可能与炎性小体成分的转录具有细胞特异性或组织特异性有关。近年来，关于关于NLRP3及AIM2在肺癌进程中的研究越来越多，但其在肺癌中作用及其参与机制尚不明确，探索炎性小体和肺癌之间的关系对临床肺癌的治疗和干预提供了新的途径。

3.1 NLRP3炎性小体与肺癌NLRP3主要通过激活capase-1并释放IL-1β和IL-18参与到肺癌的进程中。考虑到肺癌细胞起源不一致，Chen[21]等认为NLRP3炎性小体反应的变化取决于肺癌组织学分级、分期、肿瘤侵袭和耐药等因素。Kong[20]等通过对肺癌的研究发现：NLRP3在肺腺癌及小细胞癌中显著上调，同时NLRP3的表达水平与肺腺癌恶性级别呈正相关。Wang[22]等证实NLRP3炎性小体通过促进IL-1β和IL-18信号通路增强人肺腺癌A549细胞的增殖，而caspase-1抑制剂、IL-1β受体抑制剂IL-1RA和IL-18受体抑制剂IL-18BP可抑制这种作用，提示抑制NLRP3炎性小体信号转导相关分子可能是治疗肺腺癌的希望靶点之一。值得强调的是，许多免疫细胞在肿瘤微环境中发挥关键作用，如巨噬细胞被发现高度聚集于肺癌，特别是NSCLC患者体内的肿瘤微环境中，因此被称为肿瘤相关性巨噬细胞(Tumor-associated macrophages，TAM)。有学者提出[23]肺TAM中的NLRP3炎性小体通过TLR4启动TLR4/caspase-1和TLR4/caspase-11信号模型，参与IL-1β和IL-1α的释放，并促进肺肿瘤的形成。一项研究[24]发现：一种新型的合成黄酮类化合物LFG-500通过下调NLRP3的表达，进而抑制人肺腺癌细胞的上皮间质转化(EMT)，提示NLRP3是肺腺癌转移的潜在生物标志物，而LFG-500是预防肺腺癌转移的潜在治疗药物。同样的，也有一项研究[25]发现：白藜芦醇苷能够通过抑制NF-κB通路介导的NILRP3炎性小体的激活来抑制NSCLC细胞的增殖和迁移途径。上述两项研究表明NLRP3在肺癌的进展和转移过程中发挥重要作用。IL-1β和IL-18在肺癌进展中作用机制尚不明确，NSCLC患者血清水平的IL-18[26]和IL-1β[27]均高于健康对照组，且表达水平越高，预后越差。研究证明IL-1β在癌症转移过程中发挥重要作用。肺转移模型中，IL-1β可以促进乳腺癌的肺转移[28]。另一项体外研究表明IL-1β可以通过COX2-HIF1α通路抑制microRNA-101的表达促进NSCLC细胞的增殖和迁移[29]。展丙香等[30]研究证明，IL-1β浓度的増加能够激活肺鳞癌SK-MES-1细胞中的NF-κB信号通路，使得抑癌基因miRNA-223表达下调，诱导其靶基因COX2表达，从而促进肺鳞癌的増殖和迁移。有学者提出，针对IL-1β的靶向治疗可以减少肺癌在健康个体的发病率[31]，另一项研究也阐明IL-1β可能介导了NF-κB抑制剂在非小细胞肺癌中的耐药性，通过刺激肺上皮细胞增殖发挥促肿瘤的作用，而NF-κB抑制剂和IL-1RA联合治疗显示出了有效的抑瘤作用，提示将NF-κB抑制剂和IL-1β拮抗剂联合靶向治疗可能是减少肺癌治疗的非特异性副作用的一项有效方法[32]。尽管IL-18和IL-1β的作用机制存在差异，但也有着类似IL-1β的致癌作用。对于IL-18而言，目前的研究发现其主要是通过加速肿瘤血管形成而促进肿瘤的生长和转移。Rovina[33]等发现肺癌患者诱导痰标本中的IL-18水平明显高于健康对照组。国内学者[34]也提出NSCLC患者中血清中IL-18在淋巴结转移组、低分化组明显升高，由此推测血清中IL-18浓度上升预示着病情进一步恶化，这对患者的预后判断可能具有一定的参考价值。但同时也存在不同的报道，Tian等[35]发现将IL-18与抗癌疫苗联合使用显示出强大的辅助活性。例如，一种转基因肺癌细胞疫苗联合GM-CSF和IL-18的共同表达能够抑制肿瘤的生长和增加肿瘤小鼠的生存率。上述资料表明，NLRP3炎性小体及其下游的活性分子均参与了肺癌的发生发展，探索对NLRP3炎性小体具有靶向调控活性的新药物可能是治疗炎性小体介导的肺癌的理想治疗策略。

3.2 AIM2炎性小体与肺癌虽然AIM2在先天免疫中的作用已被广泛接受，但其在癌症特别是肺癌中的作用尚不清楚。激活的AIM2炎性小体可以促进炎细胞因子IL-1β和IL-18的成熟，肺脏中促炎细胞因子的失调被认为是导致炎性疾病和NSCLC的重要原因之一。Zhang等[36]学者的研究证实，过表达AIM2后NSCLC细胞活力、菌落形成和迁移能力均有增强。他们还发现了AIM2是通过AIM2/IL-1β/STAT3信号通路调控细胞周期蛋白cyclinB1和CDC2的表达从而调控NSCLC细胞周期进展，发挥致癌基因作用。而对IL-1RA对IL-1样受体的阻断可使STAT3去磷酸化，进而下调细胞周期调节蛋白cyclin B1和CDC2的表达，抑制细胞增殖[37]。以上实验结果均证明了AIM2对NSCLC的抑制作用，并猜测IL-1RA相关类药物治疗AIM2突变型肿瘤的潜在疗法。同时，Yu等[38]通过体内、外研究证实：木犀草素可以通过抑制AIM2炎性小体的活化，导致A549、H460和H226细胞株的G2/M期阻滞和EMT抑制，从而发挥抗肿瘤作用，而上调AIM2则逆转了木犀草素的抗肿瘤作用，表明AIM2可能是一种新的治疗靶点，并提出了一种潜在的木犀草素治疗NSCLC的分子机制。肺肿瘤内环境中的浆细胞样树突状细胞(Plasmacytoid dendritic cells，pDCs)与预后不良密切相关，但其在肺癌中的作用尚存在争议。癌变的pDCs能够产生高水平的AIM2，促进线粒体中的钙外排和活性氧生成，导致calpain激活和IL-1a的水平升高，后者促进肺肿瘤细胞的增殖，因此，调控肺癌源性pDCs中的AIM2活性能够抑制肿瘤细胞的增殖[39]。而NLRP3和AIM2的激活也可以在炎性小体传感器及下游分子(如ASC和caspase-1)的水平上进行调控。如黄花蒿[40]在体外对骨髓源性巨噬细胞中NLRP3和AIM2的激活均具有明显的抑制作用，可能与黄花蒿调控ASC磷酸化和寡聚能力有关，故靶向炎性小体信号活性通路的抑制性治疗可能干预肿瘤的进展。这些结果的差异进一步提示，AIM2在肺癌增殖、转移中的作用机制仍不明确，仍需进一步实验证明。相信随着研究的不断深入，AIM2在肺癌发生发展中的作用将得到进一步阐明，将AIM2的表达应用于肿瘤的早期诊断及预后评估中有望具有很好的前景。

4 总结与展望

炎症性癌症的概念在过去十年已经明确，但许多将炎症过程与其对肿瘤发展不同阶段的调节作用联系起来的机制仍然难以捉摸，并非所有慢性炎症性疾病都会增加患癌症的风险。目前，NLRP3和AIM2已经成为肿瘤界研究的重点，其在肺癌的进展过程中的作用还存在争议，因此，其潜在作用机制和调控机制仍需进行进一步的研究。探索对NLRP3及AIM2具有调控活性的新药物可能为肺癌的免疫治疗提供新的思路。